나뭇잎 교과서

기질 수준 인산화와 산화적 인산화

포도당 1분자에서 얻는 ATP 30여 개 가운데 기질에서 인산기를 직접 옮겨 만드는 것은 4개뿐입니다. 나머지는 미토콘드리아 내막을 사이에 둔 H⁺ 농도 차로 만들어집니다. 두 방식의 차이를 구분하고, 화학 삼투에서 전자 전달과 ATP 합성이 어떻게 짝지어져 있는지 약물을 넣어 확인해 봅니다.

본문

기질 수준 인산화와 산화적 인산화

본문

전자 전달계는 전자를 산소에게 넘기고, ATP 합성 효소는 ADP에 인산을 붙인다. 두 일은 내막의 서로 다른 단백질이 한다. 그런데 산소가 없으면 ATP 합성도 멈추고, 내막에 작은 구멍을 내면 산소는 계속 쓰이는데 ATP는 만들어지지 않는다. 두 단백질은 직접 닿아 있지도 않은데, 무엇으로 이어져 있을까?

그림 1. 내막을 사이에 둔 수소 이온의 농도 차(pH 차)와 전위 차가 함께 만드는 에너지. 수소 이온 하나가 돌아올 때 내놓는 에너지로, 3~4개가 모이면 ATP 한 분자를 만든다.
먼저 알아야 할 것세포 호흡의 단계(세포호흡의 단계), 미토콘드리아 내막(미토콘드리아), 확산과 농도 기울기(세포막과 물질 수송).

3.3.1두 가지 인산화

ADP에 인산을 붙여 ATP를 만드는 방법은 두 가지이다. 기질 수준 인산화는 인산을 가진 고에너지 물질이 효소의 도움으로 인산을 ADP에 직접 넘겨주는 방식이다. 해당 과정과 TCA 회로의 ATP 4개가 이렇게 만들어진다. 산화적 인산화는 전자 전달로 만든 수소 이온의 기울기를 이용하는 방식이며, ATP의 대부분이 여기서 만들어진다.

정리 3.3.1 화학 삼투

전자 전달계는 전자가 흐르는 에너지로 수소 이온을 기질에서 막 사이 공간으로 퍼낸다. 막 사이 공간에 쌓인 수소 이온은 농도와 전위의 기울기를 따라 ATP 합성 효소의 통로로만 돌아올 수 있고, 이때 효소가 회전하며 ATP를 만든다.

즉 두 단백질은 수소 이온의 기울기로 이어져 있다. 물을 댐 위로 퍼 올려 두면 물이 떨어지며 발전기를 돌리는 것과 같다. 내막에 구멍이 나면 수소 이온이 ATP 합성 효소를 거치지 않고 새어 돌아와, 산소는 계속 쓰이지만 ATP는 만들어지지 않는다.1

3.3.2기울기가 가진 에너지

수소 이온의 기울기에는 두 몫이 있다. 막 사이 공간의 수소 이온 농도가 높아 pH가 낮은 몫과, 양전하가 바깥에 쌓여 막 전위가 생긴 몫이다. 그림 1에서 두 값을 바꾸어 보자. 실제 미토콘드리아는 pH 차 약 0.8, 막 전위 약 150 mV로, 수소 이온 하나가 돌아올 때 약 19 kJ/mol을 내놓는다. 세포 안 조건에서 ATP를 만드는 데는 약 50 kJ/mol이 들므로, 수소 이온 3개쯤이 지나가야 ATP 하나가 생긴다.

내막 전자 전달계 ATP 합성 효소 H⁺ 퍼냄 H⁺ 돌아옴 막 사이 공간 (H⁺ 많음)기질 (H⁺ 적음) ADP + Pi → ATP
그림 2. 전자 전달계가 퍼낸 수소 이온이 ATP 합성 효소를 지나 돌아오며 ATP를 만든다.

3.3.3예제 풀이

예제 3.3.2

NADH 하나의 전자가 전자 전달계를 지나면 수소 이온 10개가 막 사이 공간으로 퍼내진다. ATP 하나를 만드는 데 ATP 합성 효소를 지나는 수소 이온 3개와 ATP·인산을 운반하는 데 1개, 모두 4개가 든다면 NADH 하나로 ATP 몇 개를 만들 수 있는가? FADH₂는 수소 이온 6개를 퍼낸다.

NADH 하나는 수소 이온 10개이므로 \(\dfrac{10}{4} = 2.5\)개의 ATP를 만든다. FADH₂는 \(\dfrac{6}{4} = 1.5\)개이다.

바로 이 값이 세포 호흡 결산에서 NADH 1개당 2.5개, FADH₂ 1개당 1.5개로 셈한 근거이다. FADH₂가 덜 만드는 까닭은 전자를 전자 전달계의 첫 단계를 건너뛰고 넘겨 수소 이온을 덜 퍼내기 때문이다. 따라서 ATP 수가 정수가 아닌 것은 실수가 아니라, 수소 이온이라는 공통 화폐를 거쳐 계산하기 때문이다.

아래 탐구 카드에서 산소를 쓰는 일과 ATP를 만드는 일이 어떻게 이어져 있는지 직접 따져 보자.

  1. 갈색 지방 세포는 내막에 일부러 수소 이온이 새는 단백질을 두어, 기울기의 에너지를 ATP 대신 열로 바꾼다. 신생아와 겨울잠을 자는 동물이 체온을 유지하는 방법이다.
마무리

ATP는 고에너지 물질이 인산을 직접 넘기는 기질 수준 인산화와, 수소 이온 기울기를 이용하는 산화적 인산화로 만들어진다. 전자 전달계는 수소 이온을 퍼내 기울기를 만들고, ATP 합성 효소는 그 기울기로 ATP를 만든다. 그래서 처음 질문의 산소를 쓰는 일과 ATP를 만드는 일은 내막 안팎의 수소 이온 기울기로 이어져 있다.

탐구 1

산소를 쓰는 일과 ATP를 만드는 일은 어떻게 이어져 있을까?

기질 수준 인산화와 산화적 인산화 · 화학 삼투 · 모식 모형
포도당 1분자당 ATP
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기질 수준 인산화
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산화적 인산화
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막대는 억제제가 없을 때를 100으로 둔 상대값이다. 전자 전달(양성자 펌프)은 H⁺ 농도 차가 클수록 느려지고, ATP 합성과 누출은 농도 차에 비례한다고 둔 단순 모형이며, 포도당 1분자당 ATP는 기질 수준 4개(해당 과정 2 + TCA 회로 2)와 산화적 약 28개로 어림했다.

  1. 질문세포 호흡에서 ATP는 두 가지 방식으로 만들어진다. 해당 과정과 TCA 회로에서는 효소가 기질의 인산기를 ADP에 직접 옮기고, 전자 전달계에서는 산소가 있어야 ATP가 만들어진다. 산소가 전자를 받는 일과 ATP 합성은 어떻게 연결되어 있을까?
  2. 복원기질 수준 인산화는 인산기를 가진 유기물(기질)에서 효소가 인산기를 떼어 ADP에 붙이는 방식으로, 포도당 1분자당 해당 과정에서 2개, TCA 회로에서 2개로 모두 4개이다. 나머지 대부분은 산화적 인산화로, NADH와 FADH₂의 산화에서 나온 에너지로 만들어진다.
  3. 설명NADH가 내놓은 전자가 내막의 전자 전달계를 따라 에너지가 낮은 쪽으로 옮겨 가는 동안, 단백질 복합체들은 그 에너지로 H⁺를 기질에서 막 사이 공간으로 퍼 내고, 전자는 마지막에 산소에 전달되어 물이 된다. 막 사이 공간에 쌓인 H⁺는 내막을 그냥 지나지 못하고 ATP 합성 효소의 통로로만 기질로 되돌아오는데, 이 흐름이 효소를 돌려 ADP와 인산으로 ATP를 만든다. 이를 화학 삼투라고 한다.
  4. 연결전자 전달과 ATP 합성은 H⁺ 농도 차로 짝지어져 있어서 한쪽을 막으면 다른 쪽도 멈춘다. 반대로 H⁺가 새어 나가는 길을 만들면 전자 전달은 빨라지지만 에너지는 ATP 대신 열이 되며, 신생아와 겨울잠 자는 동물의 갈색 지방 세포는 이렇게 H⁺를 새게 하는 단백질로 열을 낸다.
  5. 적용세 가지 조건을 하나씩 바꿔 보며 ATP 합성 효소를 막았는데 왜 산소 소비까지 줄어드는지 생각해 보자. 그리고 짝풀림제를 넣으면 산소 소비와 ATP, 열이 각각 어떻게 되는지, 산소를 끊으면 포도당 1분자당 ATP가 몇 개 남는지 확인해 보자.
  6. 판단‘산소가 ATP를 만든다’는 말은 부정확하다. 산소는 전자 전달계 끝에서 전자를 받아 전자 흐름이 막히지 않게 할 뿐이고, ATP를 직접 만드는 것은 H⁺ 흐름으로 도는 ATP 합성 효소이다. 1930년대에 DNP가 살 빼는 약으로 팔렸다가 체온이 치명적으로 오르는 사고가 잇따라 금지되었는데, 음식의 에너지를 ATP 대신 열로 버리게 하기 때문이다.

확인조건이 달라지면

분리한 미토콘드리아에 산소와 피루브산을 넣고, ADP를 모두 다 쓸 때까지 두었다. ADP가 바닥나면 산소 소비 속도는 어떻게 될까?

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